有機(jī)地球化學(xué)的分析方法

1、第三章 有機(jī)地球化學(xué)的分析方法 有機(jī)質(zhì)分析有機(jī)質(zhì)分析 地質(zhì)體中有機(jī)質(zhì)的研究方法尚離不開(kāi)經(jīng)典有機(jī)分離分析技術(shù)。如 各種抽提技術(shù)將分散狀的有機(jī)物質(zhì)抽提出來(lái)，再采用柱色層或薄層色 層等方法將其分成族組分和各類化合物，必要時(shí)可將化合物制備成衍 生物，然后進(jìn)行儀器測(cè)試和鑒定。分析測(cè)試所用的儀器主要有氣相色 譜儀、紫外分光光度計(jì)、紅外分光光度計(jì)、高效液相色譜儀，以及研 究生物標(biāo)志化合物的關(guān)鍵設(shè)備:色譜一質(zhì)譜聯(lián)用儀，最新又發(fā)展為色譜 一質(zhì)譜一質(zhì)譜一聯(lián)用儀。還有可研究單個(gè)化合物碳同位素比值的色譜 一碳同位素比值質(zhì)譜一聯(lián)用儀(GC-C-MS)。研究固體有機(jī)質(zhì)常用的儀 器主要有顯微光度計(jì)、有機(jī)元素分析儀、生油巖評(píng)

2、價(jià)儀、順磁共振儀、 核磁共振儀、陰極發(fā)光射線儀以及x一衍射儀等。 通過(guò)分析測(cè)試可以獲得有機(jī)碳總量(TOC)、可溶有機(jī)質(zhì)總 量、族組成，以及各類生物標(biāo)志化合物的分布與特征資料。研 究得最為廣泛的是巖石可溶有機(jī)質(zhì)與原油中的類脂化合物，有 烷烴，包括正構(gòu)烷烴、類異戊二烯烴、甾烷和萜烷類等化合物。 還有芳烴化合物，脂肪酸、脂肪醇、脂肪酮、卟啉等化合物， 以及一些含氧、氮、硫雜環(huán)化合物等。通過(guò)各種生物標(biāo)志化合 物的分布特征及其各種參數(shù)研究，獲得地質(zhì)體中有機(jī)質(zhì)的原始 母質(zhì)類型、生物輸入、沉積環(huán)境、有機(jī)質(zhì)的成熟度等信息。 一、一、 樣樣 品品 前前 處處 理理 1。可溶有機(jī)質(zhì)的提取。可溶有機(jī)質(zhì)的提取 用有機(jī)

3、溶劑可溶解提取的有機(jī)質(zhì)稱可溶有機(jī)質(zhì) (extractable organic matter, EOM)。在早期研究中，由 于使用氯仿(三氯甲烷)作為提取溶劑，故也將其可溶 有機(jī)質(zhì)稱作“氯仿瀝青A”。可溶有機(jī)質(zhì)的提取主要 有三種方法，依其使用頻度為：索氏抽提(Soxhlet extraction)；超聲抽提(sonification)；冷溶劑浸泡。 近年來(lái)，也有采用超臨界CO2萃取技術(shù)(super-critical CQ2 extraction，SFE)對(duì)烴類組分進(jìn)行提取的，但僅 使用于微量有機(jī)組分的提取。 樣品有機(jī)質(zhì)萃取和組分分離樣品有機(jī)質(zhì)萃取和組分分離 索氏抽提索氏抽提(Soxhlet) 地

4、質(zhì)載體中有機(jī)組分是有機(jī)地球化學(xué)的主要實(shí)驗(yàn)之一。分析前，必須 進(jìn)行樣品的溶劑萃取前處理，以達(dá)到分離基體、濃縮分析物的目的。 索氏抽提的原理是采用溶劑反復(fù)回流，將樣品中的可溶有機(jī)組分提取 出來(lái)。通常先將樣品粉碎至大于100目(圖)。萃取液采用甲醇、氯仿、苯等， 根據(jù)分析樣品的不同可選取一種或混合溶劑進(jìn)行抽提。在近代沉積物中由于 極性組分較多，常選用一定比例甲醇的混合溶劑作回流溶劑。抽提時(shí)間一般 為40-50小時(shí)。可溶抽提物先用正己烷沉淀瀝青質(zhì)，然后將正己烷可溶物用 硅膠氧化鋁色譜柱分離。依次采用正己烷或石油醚洗脫飽和烴餾分、二氯 甲烷或苯洗脫芳烴餾分、甲醇或苯-甲醇洗脫非烴餾分。各餾分濃縮后自然

5、風(fēng)干保存，供GC-MS分析用。 索索 氏氏 抽抽 提提 器器 樣品 由于索氏抽提方法簡(jiǎn)單、易行，可以將萃取物分成不同族組分，它幾 乎適合于所有的原油或生油巖樣品的抽提分離，到目前為止仍然在有機(jī)地 球化學(xué)預(yù)處理中發(fā)揮著很大的作用。 索氏抽提和組分分離流程圖索氏抽提和組分分離流程圖 固體樣品粉碎（100目） 索氏抽提 48小時(shí) 正己烷沉淀瀝青質(zhì) 正己烷可溶物瀝青質(zhì) 硅膠-氧化鋁色譜柱 石油醚或正己烷二氯甲烷或苯甲醇或苯甲醇 飽和烴芳烴非烴 索氏抽提方法在有機(jī)地球化學(xué)索氏抽提方法在有機(jī)地球化學(xué) 分析中的不足是：分析中的不足是： 1、索氏抽提溫度高，揮發(fā)性組分易丟失； 2、樣品需要量較大，小量地質(zhì)樣品

6、受到限制； 3、操作方法本身有一些弊端：萃取時(shí)間長(zhǎng)，使用的 溶劑量大，有一定的毒性；經(jīng)常在高溫下進(jìn) 行，成本高； 整個(gè)過(guò)程為手動(dòng)操作，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等。 超臨界流體萃取超臨界流體萃取(Supercritical Fluid Extraction) 超臨界流體萃取技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的從地質(zhì)樣品 中萃取有機(jī)物的新技術(shù)。其基本原理是利用超臨界狀態(tài)下 的流體對(duì)有機(jī)組分具有很強(qiáng)的溶解能力，能溶解混合物中 的有機(jī)組分，并將萃取物帶入吸附劑，然后用相應(yīng)的有機(jī) 溶劑洗脫，從而達(dá)到有機(jī)物的萃取分離目的。 超臨界流體超臨界流體 超臨界狀態(tài)是物質(zhì)的一種特殊流體狀態(tài),當(dāng)把處于氣液平衡的物 質(zhì)加壓升溫時(shí),液體密度減小

7、,而氣相密度增大,當(dāng)溫度和壓力達(dá)到某 一點(diǎn)時(shí),氣液兩相的相界面消失,成為一均相體系,這一點(diǎn)就是臨界點(diǎn) 。當(dāng)物質(zhì)的溫度和壓力分別高于臨界溫度和臨界壓力時(shí),就處于超臨 界狀態(tài)。 物質(zhì)臨界壓力Po(MPa)臨界溫度Tc()臨界密度(g/cm3) H2O22.12374.10.332 CO27.3831.050.433 H21.30-239.85 CO3.49-140.15 H2S9.00100.45 NH311.25132.40.235 N2O7.1736.50.450 CH45.408.850.218 C2H64.8831.850.203 C3H84.2596.850.217 C4H103.751

8、35.00.228 C5H123.7596.60.232 C6H142.97233.85 部分流體物質(zhì)的超臨界參數(shù)部分流體物質(zhì)的超臨界參數(shù) 在純物質(zhì)相圖上,一般流體的氣-液平衡線有一個(gè)終點(diǎn)-臨界點(diǎn),此 處對(duì)應(yīng)的溫度和壓力即是臨界溫度(Tc)和臨界壓力(Po)。當(dāng)流體的溫 度和壓力處于Tc和Po之上時(shí),那么流體就處于超臨界狀態(tài)(Supercritical 狀態(tài),簡(jiǎn)稱SC狀態(tài))。超臨界流體的許多物理化學(xué)性質(zhì)介于氣體和液體 之間,并具有兩者的優(yōu)點(diǎn),如具有與液體相近的溶解能力和傳熱系數(shù),具 有與氣體相近的粘度系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù).同時(shí)它也具有區(qū)別于氣態(tài)和液 態(tài)的明顯特點(diǎn):(1) 可以得到處于氣態(tài)和液態(tài)之間的

9、任一密度;(2) 在臨 界點(diǎn)附近,壓力的微小變化可導(dǎo)致密度的巨大變化。由于粘度,介電常 數(shù),擴(kuò)散系數(shù)和溶解能力都與密度有關(guān),因此可以方便地通過(guò)調(diào)節(jié)壓力 來(lái)控制超臨界流體的物理化學(xué)性質(zhì)168,169。 純物質(zhì)相圖 在有機(jī)地球化學(xué)的萃取分析中，它與索氏抽提對(duì) 比具有幾大顯著優(yōu)點(diǎn)： (1)萃取溫度低，適宜揮發(fā)性、半揮發(fā)性組分的萃取。 (2)樣品需要量?jī)H為5-10g，特別適合小量地質(zhì)樣品的 萃取分離。 (3)操作過(guò)程更具優(yōu)勢(shì)：萃取時(shí)間短，無(wú)毒、安全、 經(jīng)濟(jì)、不污染環(huán)境，自動(dòng)化程度高等。 由此可見(jiàn)，超臨界流體萃取技術(shù)在有機(jī)地球化學(xué) 的研究中可以發(fā)揮很大的作用。 SFE-GC-MSSFE-GC-MS聯(lián)用聯(lián)

10、用 超臨界流體萃取得到的分析物往往是復(fù)雜的有機(jī)組分。采用GC-MS進(jìn)行 檢測(cè)，即可利用GC的分離作用，將復(fù)雜組分通過(guò)色譜柱分離開(kāi)來(lái)，又可利用 MS的定性作用從譜庫(kù)中檢索定性出每一個(gè)組分。因此這種聯(lián)用技術(shù)廣泛用于 環(huán)境樣品、植物中草藥、地質(zhì)樣品的定性分析工作中。例如，SFE與GC-MS 聯(lián)用對(duì)廣東土牛膝化學(xué)成分的分析46；對(duì)中藥香附化學(xué)成分的剖析47、 對(duì)大蒜的萃取與化學(xué)成分測(cè)定48；對(duì)廣東茂名油頁(yè)巖中生物標(biāo)志物的分析 49等等。 迄今為止，SFE已被廣泛用于從固體樣品中萃取許多非極性化 合物。實(shí)際上它同樣可以用于液體樣品的萃取。從時(shí)間和效率上 來(lái)看，SFE較Soxhlex萃取更有效，又可萃取熱

11、敏感性化合物，更 適合于萃取熱不穩(wěn)定化合物，對(duì)許多溶于超臨界CO2的非極性物質(zhì)， SFE顯示出較傳統(tǒng)萃取技術(shù)更佳的優(yōu)勢(shì)。然而盡管如此，SFE也有 很多不盡如意之處：首先，單一的SFE方法對(duì)樣品某些有效成分進(jìn) 行選擇性萃取并非容易之事，其次，在萃取極性物質(zhì)和大分子量 物質(zhì)時(shí)還需加入共溶劑或改性劑來(lái)提高其溶解能力。 超超 聲聲 波波 溶溶 劑劑 萃萃 取取 近10多年來(lái)，發(fā)展了微波溶劑萃取21，22、加速 溶劑萃取23，24技術(shù)和超聲波溶劑萃取技術(shù)（208-209 萬(wàn)大娟等，2005；任松等，2005），這些技術(shù)一是大大縮短 操作時(shí)間，一般在10-15小時(shí)內(nèi)能完成全部操作；二是萃取 效率不低于經(jīng)典

12、的索氏抽提技術(shù)；三是有機(jī)溶劑的使用量大 大減少，降低了萃取成本和操作毒性。 超聲波溶劑萃取技術(shù)可以廣泛用于萃取地質(zhì)樣品中具 有重要環(huán)境和生源意義的生物標(biāo)志物。由于操作簡(jiǎn)單，易于 實(shí)現(xiàn)，萃取完全，萃取溶劑可隨時(shí)根據(jù)被萃取物的極性進(jìn)行 調(diào)整，因此，特別適宜地質(zhì)和環(huán)境樣品中微量有機(jī)質(zhì)的全組 分萃取工作。 萃取過(guò)程如圖2所示,樣品粉碎至大于100目，稱取一定量樣品置于三角 燒杯中，用混合溶劑（CH2Cl2/MeOH）浸泡10小時(shí)以上，再用超聲波常 溫萃取3-5次，每次5-10分鐘，合并萃取溶劑并過(guò)濾，樣品自然風(fēng)干后， 以氯仿稀釋，直接全組分進(jìn)行GC-MS分析。 固體樣品 （目） 1 0 0 溶劑浸泡

13、1 0 小時(shí) 超聲波萃取 混合后過(guò)濾 3(1 0)次每次分鐘 C HC lM e O H+ 22 超聲波溶劑萃取技術(shù)操作流程圖超聲波溶劑萃取技術(shù)操作流程圖 從操作流程來(lái)看，在溶劑萃取過(guò)程中不存在萃 取組分的過(guò)多損失和分離，萃取溶劑極性可調(diào)，萃 取時(shí)間較短，轉(zhuǎn)移過(guò)程簡(jiǎn)便，組分收集完全，確保 了樣品中某些少量的特殊的目標(biāo)有機(jī)質(zhì)的萃取，為 GC-MS全組份分析提供了有利的保障。 有機(jī)組分的分離純化方法有機(jī)組分的分離純化方法 一般采用柱層析法、絡(luò)合加成、皂化和 薄層層析等技術(shù)對(duì)有機(jī)質(zhì)進(jìn)行分離純化。對(duì) 于特殊樣品制備，還可進(jìn)一步采用高效液相 色譜(HPLC)、凝膠滲透色譜法(GPC)等分離 方法。 (1

14、) 柱層析(column chromatography) 柱層析是最常用的有機(jī)質(zhì)族組分分離技術(shù)。常用的 以硅膠、氧化鋁、硅藻土為吸附劑的柱層析，屬吸附色譜。 將提取物轉(zhuǎn)移至吸附劑的頂端后，以不同的溶劑依次洗脫， 利用不同化合物在吸附劑和洗脫溶劑間的吸附-溶解作用 的差異，使混合物得到分離。吸附劑的活性、洗脫劑極性 和洗脫流速，是影響分離效果的主要因素。 分離生物標(biāo)志物，常采用硅膠氧化鋁混合柱，以 定量的正己烷(或石油醚)、苯(或二氯甲烷)和甲醇(或乙醇) 等有機(jī)溶劑依次洗脫。此法可有效分離烷烴、芳烴和非烴 等有機(jī)族組成。 在使用前，先分別對(duì)硅膠(6080目，150，4小時(shí))和中性氧化鋁 (60

15、-80目，450，5小時(shí))進(jìn)行脫水活化，而后再加入5的水進(jìn)行去活， 使其活性均為級(jí)。硅膠氧化鋁以110體積比填柱(1cm id， 40cm長(zhǎng))，吸附劑重量不應(yīng)少于樣品重的50倍。采用干法充填，氧化鋁 層在下，硅膠層在上，邊充填邊以洗耳球敲擊柱身，使填充緊密，而后 迅速加入正己烷以趕除氣泡并隔離空氣。 樣品以少量正己烷溶解，待拄內(nèi)正己烷液面近于吸附劑頂端時(shí)，將 樣品轉(zhuǎn)移至柱內(nèi)，隨后加入正己烷洗脫。當(dāng)觀察到向下移動(dòng)的芳烴色環(huán) 至近柱底時(shí)，更換收集容器，加入苯(二氯甲烷)洗脫芳烴。如果沒(méi)有明 顯的芳烴色環(huán)，也可用熒光燈(254nm)檢查淋出液滴，有熒光出現(xiàn)時(shí)則 表明已到切割點(diǎn)。苯(二氯甲烷)的淋洗體

16、積可控制在4倍柱體積。最后再 加入4倍柱體積的甲醇洗脫非烴組分。 (2)絡(luò)合加成法 柱層析分離常常僅對(duì)樣品進(jìn)行粗分離。一般分離為三大 餾分即飽和烴、芳烴和非烴。在生物標(biāo)志物研究中常常需要 對(duì)某些組分進(jìn)行詳細(xì)研究，故往往還需把飽和烴進(jìn)一步分離 成正構(gòu)烷烴、異構(gòu)烷烴和環(huán)烷烴。此時(shí)常常采用絡(luò)合分離法。 絡(luò)合物亦叫包留物或籠絡(luò)物、加成物、包藏物。 常用的絡(luò)合劑為5 (1 =10-10m)分子篩、尿素、硫脲 等，也有用7 或者13 分子篩分離的。5 分子篩是天然或人 工泡沸石，其組成為Ca4Na4 Al12Si12O4829H2O， 具有5 大小的孔徑，能選擇吸附正烷烴，絡(luò)合比較完 全，但解吸困難，流程

17、長(zhǎng)，采用正己烷或異辛烷回流解吸 需要15天左右才能完成。使用1：1的24氫氟酸和苯混 合物破壞5 分子篩，釋放出正烷烴的方法解吸比較完全。 分離正構(gòu)和異構(gòu)烷烴宜用此法。 尿素是一種籠絡(luò)或包留物。其特點(diǎn)是在正烷烴及 其衍生物存在下，尿素分子頭尾相接，以氫鍵形式排 列成平行管狀或螺旋狀的六角形結(jié)晶，通道中心的直 徑約5 A，正好適合于直鏈分子或其直鏈衍生物分子 在平面中的曲折排列，它對(duì)正烷烴的包留作用不是烴 類所特有的，大量的單官能團(tuán)和二官能團(tuán)的化合物也 可被尿素包留，如烯烴、醇、醚羰基化合物以及一個(gè)、 二個(gè)羧基的酸類及酯類、烷基鹵化物、硫醚、胺、二 胺類、腈和二腈類等。尿素與六個(gè)碳原子以上的直鏈

18、 烴最容易形成包留物，支鏈或苯環(huán)因其分子太大不能 被包留。尿素法分離正烷烴的優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單，流程 短，尤其是解吸特別容易，只需蒸餾水水解即能釋放 出被包留物。缺點(diǎn)是包留不完全，有時(shí)帶某些烯烴等 組分。 硫脲也是常用的包留劑，它形成的包留絡(luò)合物結(jié)構(gòu)上 很像尿素絡(luò)合物。它的單元小室是菱形的螺旋結(jié)構(gòu)，中 心通道直徑為7 。因直鏈分子太小包不住，故適于包留支 鏈烷烴，特別適合于分離異戊二烯烴化合物。帶有兩個(gè) 甲基或分子大小與之相近的鹵代烴也可與硫脲形成包留 物。而乙基和異丙基則不能與硫脲絡(luò)合。硫脲也可包留 環(huán)烷烴。簡(jiǎn)單的芳烴化合物如苯、萘、蒽不能被硫脲包 留。硫脲包留物同樣用蒸餾水解吸。 (3)皂化法

19、 用氫氧化鉀的甲醇溶液回流或索氏抽提，將樣品中 呈結(jié)合形式存在的脂肪酸酯轉(zhuǎn)變成脂肪酸鉀鹽的方法稱 為皂化法。皂化后的脂肪酸鹽類可酸化為游離脂肪酸。 一步抽提-皂化法可在索氏抽提器中用苯甲醇、氫氧化 鉀溶液回流萃取，再加水分離成水相和有機(jī)(苯)相，脂 肪酸鉀鹽進(jìn)入水層，而烴類和極性較小的化合物進(jìn)入苯 層中，先移去有機(jī)相,而后用鹽酸酸化水相將鉀鹽轉(zhuǎn)化為 游離脂肪酸，以乙醚萃取濃縮即得脂肪酸。 極性組分的衍生反應(yīng)極性組分的衍生反應(yīng) 一些極性化合物，如脂肪酸、氨基酸、鏈狀醇類和 甾醇等，在進(jìn)行氣相色譜分析前，需要進(jìn)行衍生反應(yīng)。 其目的主要有二：一是將非揮發(fā)性的化合物變?yōu)閾]發(fā)性 的化合物，變高沸點(diǎn)為低沸

20、點(diǎn)，使其在氣相色譜上可揮 發(fā)氣化，進(jìn)行分析；二是通過(guò)衍生反應(yīng)，增大相似化合 物之間的沸點(diǎn)差別，從而改善氣相色譜的分離效果，利 于定性定量。 氣相色譜分析常用的衍生方法是酸類的酯化和醇類與酸氣相色譜分析常用的衍生方法是酸類的酯化和醇類與酸 類的硅醚烷化類的硅醚烷化 (1) 酯化酯化 脂肪酸甲酯化主要有三種方法：脂肪酸在含有少量硫酸或鹽酸 的甲醇溶液中回流，用苯抽提，這種方法酯化率較低，不常采用。 重氮甲烷法：采用亞硝基甲基尿和氫氧化鉀制備重氮甲烷。重氮甲烷 的乙醚溶液滴加到脂肪酸水溶液中即得脂肪酸甲酯，此法酯化較完全， 常用于小樣品。三氟化硼法：用14BF3甲醇溶液作為酯化劑。由 硼酸酐和氟硼酸

21、鈉制備生成BF3氣體，直接通人脂肪酸甲醇溶液中即 得脂肪酸甲酯。此法優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)率高，速度快，常用于大量樣品分析。 用此法可分析碳數(shù)高達(dá)C36的脂肪酸。 對(duì)于分子量較大的膦脂、甘油脂、甾基酯和蠟酯，可采用甲醇鈉 (Na Methoxide)甲醇試劑(0.5N)，直接轉(zhuǎn)化為適于氣相色譜分析的 甲酯。 (2)硅醚烷化硅醚烷化 許多含有一個(gè)活潑氫的極性化合物如脂肪酸類、羥基酸(或)、 醇類、甾類化合物、醣、氨基酸、酚等多官能團(tuán)化合物，都可以 用如六甲基二硅烷(HMDS)、二或三甲基氯硅烷(DMCS或TMCS)、 氯甲基二甲氯硅烷(CMDMCS)、雙-(甲基硅烷基)-乙酰胺(BSA)、 N，O-雙-(三甲

22、基硅烷基)-三氟乙酰胺(BSTFA)（TMS）衍生物進(jìn) 行氣相色譜分析。硅烷化反應(yīng)快，適合于微量分析。 其中，最為常用的是N，O-雙-(三甲基硅烷基)-三氟乙酰胺 (BSTFA)。直接在已祛除有機(jī)溶劑的樣品中加入BSTFA，70下 靜置30分鐘后即可直接進(jìn)行氣相色譜分析。可以此法硅醚烷化的 樣品包括：鏈狀醇、甾醇、藿烷醇、酚類和各種羧酸。 分析儀器和方法分析儀器和方法 目前用于定量分析類脂物生物標(biāo)志化合物的儀器,主要有兩個(gè)系列。 色譜系列: :包括氣相色譜儀(GC)、高溫氣相色譜儀(HT-GC)、裂解氣 相色譜儀(PY-GC)、液相色譜儀(LC)和高效液相色譜儀(HPLC)等。 色譜-質(zhì)譜聯(lián)用

23、系列:包括氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC -MS)，適合于 可汽化有機(jī)組分分析；液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(LC-MS)，適合于不可汽化 有機(jī)組分分析；氣相色譜-質(zhì)譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS-MS)，適合于生物組 分分析；裂解氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(PY-GC-MS)等。 20世紀(jì)90年代以來(lái),國(guó)際上分子有機(jī)地球化學(xué)的發(fā) 展已深入到了研究復(fù)雜混合物中每個(gè)化合物的穩(wěn)定同位 素即化合物的單體穩(wěn)定同位素。穩(wěn)定同位素分析所利用 的儀器主要是色譜-同位素比質(zhì)譜聯(lián)用系列：包括氣相 色譜-燃燒-同位素比質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-C-IRMS),適合于生 物標(biāo)志化合物單體碳、氮同位素分析；氣相色譜-熱轉(zhuǎn) 換-同位素比質(zhì)譜聯(lián)用儀(

24、GC-TC-IRMS),適合于生物標(biāo)志 化合物單體氫、氧同位素分析；氣相色譜-燃燒/熱轉(zhuǎn)換 -同位素比質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-C/TC-IRMS),適合于生物標(biāo)志 化合物單體碳、氮、氫、氧同位素分析。 氣相色譜氣相色譜- -質(zhì)聯(lián)用儀（質(zhì)聯(lián)用儀（GC-MSGC-MS） (1) GC-MS (1) GC-MS簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 氣質(zhì)聯(lián)用儀（GC-MS）是有機(jī)可汽化組分分析儀器。在有 機(jī)地球化學(xué)研究中，可檢測(cè)原油和沉積物（巖）、土壤等抽提 有機(jī)質(zhì)的生物標(biāo)志化合物，為判識(shí)樣品形成環(huán)境、母質(zhì)來(lái)源、 熱演化程度以及古環(huán)境，古氣候等，提供可靠的科學(xué)依據(jù)，所 以對(duì)有機(jī)地球化學(xué)的研究是非常重要的。 GC/MS由氣體色譜儀-接口

25、-質(zhì)譜計(jì)組成。氣體色譜儀由進(jìn) 樣器、色譜柱、檢測(cè)器（GC/MS聯(lián)用，質(zhì)譜計(jì)就是檢測(cè)器）及 控制色譜條件的微處理機(jī)組成。 與氣體色譜聯(lián)用的質(zhì)譜計(jì)主要有四極桿質(zhì)譜計(jì)、 磁質(zhì)譜計(jì)、離子阱質(zhì)譜計(jì)及飛行時(shí)間質(zhì)譜計(jì)等。 氣相色譜-質(zhì)聯(lián)用技術(shù)，既充分利用了氣相色譜 獨(dú)特的分離能力，又發(fā)揮了質(zhì)譜定性的專長(zhǎng)，優(yōu)勢(shì) 互補(bǔ)，相得益彰。結(jié)合譜庫(kù)檢索，對(duì)容易揮發(fā)的混 合體系，可以得到令人滿意的分離及鑒定結(jié)果。 (2) GC-MS(2) GC-MS的工作原理的工作原理 雖然GC-MS的組合方法多種多樣，但方法原理卻基本相同。圖3 為GCMS的工作原理圖（210 何華和倪坤儀，2004）。 樣品與載氣同時(shí)由注樣口進(jìn)入色譜柱

26、，色譜柱將樣品混合物分離 成各種單一組分，經(jīng)色譜檢測(cè)器檢測(cè)，得到樣品混合物的色譜圖，進(jìn) 行定量分析。另一方面，由色譜柱流出的含被測(cè)組分的載氣，經(jīng)過(guò)接 口，載氣被除去，而氣化的組分分子則被導(dǎo)入質(zhì)譜儀的離子源；在離 子源中，組分分子或組分分子的碎片受到離子化作用（如電子流轟擊 EI，化學(xué)電離CI等），失去或得到電子而成為帶電荷電子，進(jìn)入質(zhì)量 分析器；不同的質(zhì)量分析器依據(jù)各自的質(zhì)量分離原理，按質(zhì)荷比(m/z) 的不同將離子依次分離開(kāi)（例如，扇形磁場(chǎng)質(zhì)譜儀是利用不同質(zhì)荷比 的離子圓周運(yùn)動(dòng)的半徑不同而將離子分開(kāi)的）。經(jīng)過(guò)分離的不同質(zhì)荷 比的離子形成離子流進(jìn)入質(zhì)譜檢測(cè)器（通常為電子倍增管），產(chǎn)生的 電流信

27、號(hào)經(jīng)放大后，由質(zhì)譜記錄儀描繪成質(zhì)譜圖。 一般化合物的質(zhì)譜圖中有若干個(gè)離子峰， 這些峰的位置與組分分子的結(jié)構(gòu)有關(guān)，是 對(duì)組分定性的依據(jù)，其中，分子離子峰是 確定分子量的依據(jù)。而離子峰的強(qiáng)度是與 樣品中組分的含量有關(guān)，可作為定量的依 據(jù)。 (3) GC-MS(3) GC-MS分析方法分析方法 在有機(jī)地球化學(xué)樣品的GC-MS分析中，最常用的電離技 術(shù)是電子轟擊（EL），通常采用70eV的電能。在生物標(biāo)志 物研究中有時(shí)也采用化學(xué)電離（CI）。現(xiàn)在許多商品儀器 有EI/CI組合離子源程序，在分析過(guò)程中可以很快地調(diào)換。 其它常用的離子化方法，還有電場(chǎng)解吸，電場(chǎng)電離和空氣 電離。 GC GCMSMS的工作原

28、理圖的工作原理圖 特殊離子檢測(cè)特殊離子檢測(cè) 為了檢測(cè)地質(zhì)載體中復(fù)雜有機(jī)混合物里的生物標(biāo) 志物，特殊離子監(jiān)測(cè)（Specific Ion Monitoring 縮寫(xiě)為SIM）是經(jīng)常采用的技術(shù)。 SIM是由這樣的概念得來(lái)的，即某些化合物或化 合物類別，以特有的方式斷裂產(chǎn)生碎片離子或特征離 子，監(jiān)測(cè)這些特征離子的強(qiáng)度，就能夠確定這些化合 物。而且如果只檢測(cè)這些特征離子的相對(duì)強(qiáng)度而不是 收集每一個(gè)掃描的全部質(zhì)譜，則應(yīng)用質(zhì)譜計(jì)來(lái)鑒定某 些特殊化合物的靈敏度可以增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因此許 多重要的離子已用于檢測(cè)某些特殊的生物標(biāo)志物。 表表2列出了列出了SIM鑒定各類生物標(biāo)志物所用的特征離子鑒定各類生物標(biāo)志物所用

29、的特征離子（211 劉志禮，1990） 表 2特殊離子檢則法（SIM）鑒定各類生物標(biāo)志物所用的特征離子 離 子(m/z)化 合 物 類 別 57,71，85，99 77，91，105，106，119，120 正烷烴 苯和取代基苯 82，83 97 113，183，197 環(huán)已烷類 正構(gòu)烯烴 無(wú)環(huán)異戊二烯類化合物 109,123,194,208,222,236,C14C17二環(huán)倍半萜類 109,123,163,191 123,163,191 123,163,191 149,163,177,191,205,219,235 177 二萜類 三環(huán)萜烷 四環(huán)萜烷 五環(huán)藿烷型三萜烷 脫甲基藿烷 232 1

30、89,231 243 某些藿烯 一蕨烯 217 218 231 規(guī)則甾烷14(H),17(H) 規(guī)則甾烷14(H),17(H) 甲基甾烷 259 273 重排甾烷 甲基-重排甾烷 231 211 253 245 單芳甾甾類 單芳甾烷 三芳甾烷 154聯(lián)苯 156,141 168 170,155 二甲基萘（141141） 甲基聯(lián)苯 三甲萘（156170） 178 202 228 252 蒽、菲 芘、熒蒽 苯并芘、苯并熒蒽 多離子檢測(cè)多離子檢測(cè) 應(yīng)用質(zhì)譜計(jì)檢測(cè)生物標(biāo)志物的基礎(chǔ)是，在離子源中， 許多生物標(biāo)志物的碎片是以系統(tǒng)的或是可以推測(cè)的方 式產(chǎn)生一個(gè)或者一些特種離子，據(jù)此可以確定特定的 生物標(biāo)志物

31、。 通常對(duì)于含有未知組分地質(zhì)樣品的檢測(cè)，需采用多 離子檢測(cè)（More Ion Detector，縮寫(xiě)為 MID），即設(shè)置 儀器在全部質(zhì)量數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，檢測(cè)和提供所有 離子碎片特征，捕捉和獲取每一個(gè)化合物所斷裂的所 有碎片，依據(jù)其常規(guī)和特征碎片組合進(jìn)行推測(cè)和定性。 高效液相色譜高效液相色譜-質(zhì)聯(lián)用儀（質(zhì)聯(lián)用儀（LC-MS） (1) LC/MS聯(lián)用及其應(yīng)用聯(lián)用及其應(yīng)用 在地球化學(xué)研究中能起到重要作用的另一 類測(cè)試技術(shù)是高效液體色譜（LC）和MS的結(jié)合。 LCMS聯(lián)用是質(zhì)譜研究領(lǐng)域中最為活躍的分支之 一。 對(duì)于極性強(qiáng)、揮發(fā)度低、分子量大及熱不 穩(wěn)定的混合體系，需要采用液相色譜才能完成。 LC-M

32、S在石油和環(huán)境地球化學(xué)中的作用仍然主要 是研究較高分子量的化合物。其技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)是要保 證能夠檢測(cè)更為極性的生物標(biāo)志化合物，以及它們可能 的高分子量的前身物。 高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)的應(yīng)用可延伸到生命 科學(xué)研究領(lǐng)域，并在該領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。 (2) LCMS的工作原理的工作原理 從LC柱出口的流出液，先通過(guò)一個(gè)分離器，如果所用的 HPLC柱是微孔（1.0mm）柱，全部流出液可直接通過(guò)接口， 如果用標(biāo)準(zhǔn)孔徑（4.6mm）HPLC柱，流出液被分離，僅有 約流出液被引進(jìn)源內(nèi)，剩余部分可收集在餾分收集器 內(nèi)；當(dāng)流出液經(jīng)過(guò)接口時(shí)，接口將承擔(dān)起除去溶劑和離子 化的功能。產(chǎn)生的離子，在加速電壓

33、的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入質(zhì)譜計(jì) 中的質(zhì)量分析器。整個(gè)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制。 LCMS聯(lián)用工作原理示意圖（212 Siuzdak，1996） 氣相色譜氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜儀（串聯(lián)質(zhì)譜儀（GC-MS-MS） 分析復(fù)雜有機(jī)混合物的最新發(fā)展是引用串聯(lián)質(zhì)譜技 術(shù)（MS-MS）。在MS-MS中，兩個(gè)分析器聯(lián)接在一起，第 一個(gè)質(zhì)量分析器分離在離子源中產(chǎn)生的離子，然后這些離 子又與惰性氣體碰撞，接著碰撞后所產(chǎn)生的離子由第二個(gè) 質(zhì)量分析器分析。用MS-MS能分析極性更強(qiáng)的較大分子， 因?yàn)樗鼘?duì)樣品的蒸汽壓的要求很低。樣品也不需要從溶劑 或載氣中分離，而且樣品分離實(shí)際上是瞬時(shí)的，這就極大 地?cái)U(kuò)大了MS-MS對(duì)于常規(guī)分析和實(shí)時(shí)反應(yīng)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用范圍。 大部分生物標(biāo)志物以較低的濃度存在于幾百種化合 物的混合物中,由于取消了蒸餾和分離步驟，因此提高了樣 品分析速度。 熱解熱解-色譜色譜-質(zhì)譜（質(zhì)譜（PY-GC-MS） 對(duì)于研究不可溶殘余物和用熱降解能夠 釋放出的生物標(biāo)志化合物，熱解-色譜-質(zhì)譜 （PY-GC-MS）是一項(xiàng)新的技術(shù)。熱解與GC- MS聯(lián)用是分辨這些化合物和測(cè)定其分布的最 迅速而又最有效的方法。 譜圖解析和檢索譜圖解析和檢索 現(xiàn)在全部商售的質(zhì)譜計(jì)都配有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以 很方便地進(jìn)行檢索。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局NBS建立的譜庫(kù)有 38000多張標(biāo)準(zhǔn)譜圖?，F(xiàn)在不少公司的